Повышение культуры земледелия достигается за счет внедрения в производство многих мероприятий, в том числе правильных севооборотов, которые создают благоприятные условия для повышения продуктивности и получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур при значительном уменьшении затрат на их выращивание [1]. Однако при этом возникает проблема защиты нового культурного растения от почвенных остатков гербицида, применяемого при выращивании предыдущей культуры. Для устранения негативного воздействия остаточных количеств гербицидов в современных комбинированных препаратах используют антидоты. Одним из наиболее известных антидотов, применение которого было впервые показано в конце XX века, является нафталевый ангидрид (НА) [4].
Материалы и методы исследования
В работе был использован нафталевый ангидрид (НА) от Shenzhen Sunrising Industry Co., Ltd., КНР, содержание основного вещества > 96,0 %. Для механохимической модификции НА были использованы следующие полисахариды: арабиногалактан (АГ) из лиственницы сибирской по ТУ 9363-021-39094141-08, серия 02042013; натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) марки CEKOL 700 фармакопейной чистоты [3]; ламинария (Л) от Архангельского опытного водорослевого комбината по ТУ 9284-039-00462769-02 «Водоросли беломорские сушеные пищевые».
Совместную механохимическую обработку НА и полисахаридов проводили в условиях, описанных нами ранее [5]. Для определения растворимости НА в композициях с полисахаридами использовали метод ВЭЖХ на хроматографе Agilent 1200 в условиях, описанных ранее [5]. Биологические исследования проводили в условиях лаборатории искусственного климата и оценивали влияние синтезированных препаратов на всхожесть семян ярового рапса с. Труженик, яровой пшеницы с. Энгелина и кукурузы с. Каскад. Выбранные для опытов семена растений (яровая пшеница, яровой рапс, кукуруза) обрабатывали рабочими растворами композиций, просушивали при комнатной температуре в течение 3 суток и раскладывали в чашки Петри, соответственно, по 30 и 20 штук на фильтровальной бумаге в 3-кратной повторности, добавляли 5 мл дистиллированной воды в каждую чашку Петри, помещали в термостат на 72 часа при контролируемой температуре 24 °С и проводили учет всхожести семян для всех композиций по сравнению с контролем (семенами, которые не были обработаны).
Результаты исследования и их обсуждение
Нами при создании комплексного протравителя [2, 6] для защиты семян от почвенных остатков гербицида использовался известный антидот – нафталевый ангидрид (НА) – ангидрид нафталин-1,8-дикарбоновой кислоты, который антагонистически воздействует на гормоны растений, связанные с реализацией активности ауксиноподобных гербицидов; он также может восстанавливать синтез липидов, а при обработке семян – ингибировать поглощение гербицидов растениями [7]. В результате НА способствует ускорению детоксикации гербицидов (сульфонилмочевин) в почве и росту устойчивости к ним урожая.
В связи с низкой водорастворимостью НА представляла научный и практический интерес возможность увеличения этого показателя для получения перспективных препаратов защиты культурных растений. С целью увеличения растворимости НА был использован известный метод твердофазной механохимической модификации НА с помощью водорастворимых полимеров с использованием измельчителей с ударно-истирающим действием [5]. В качестве полимеров были выбраны полисахариды арабиногалактан (АГ), ламинария (Л) и натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ). Анализ полученных комплексов показал реальную возможность улучшения растворимости НА с помощью вышеуказанных полисахаридов (таблица).
Изменение растворимости нафталевого ангидрида в комплексах с полисахаридами
|
№ п/п |
Название образца и условия получения |
Растворимость, мг/л |
Увеличение (разы) |
|
1 |
НА, исходный образец в воде |
2,5 |
– |
|
2 |
НА:АГ=1:9 –LE-101; 2 часа |
91,5 |
36,6 |
|
3 |
НА:АГ=1:9 –LE-101; 7 часов |
94,7 |
37,9 |
|
4 |
НА:Na-КМЦ=1:2 –LE-101; 2 часа |
80,8 |
32,3 |
|
5 |
НА:Na-КМЦ=1:2 –LE-101; 7 часов |
324,1 |
129,6 |
Анализ данных таблицы показал возможность увеличения растворимости НА при его комплексообразовании с полисахаридами. Резкое увеличение растворимости НА, наблюдаемое при тестировании образца НА:Na-КМЦ=1:2, объяснялось возможностью гидролиза НА до соответствующей дикарбоновой кислоты (НК, 1,8-нафталиндикарбоновая кислота). По нашему мнению, гидролиз НА до НК возможен по следующей схеме:
1) вначале происходит активация группы С(О)-О-С(О) нафталевого ангидрида за счет взаимодействия с Na-КМЦ в условиях совместной механообработки;
2) механоактивированные композиции НА: Na-КМЦ=1:1 и 1:2 при попадании в водную среду начинают гидролизоваться до НК за счет взаимодействия активной группы С(О)-О-С(О)нафталевого ангидрида с молекулой воды.
Образование НК при длительном (3 и более часов) перемешивании композиций НА: Na-КМЦ=1:1 и 1:2 в воде /условия теста на растворимость/ было подтверждено данными ВЭЖХ-анализа (времена удерживания НА и НК 3,56 и 3,76 мин соответственно) при следующих условиях хроматографирования:
– жидкостной хроматограф Agilent 1100 с диодной матрицей;
– колонка: Hypersil 5µ HyPURITY Elite C18 (150×4,6 mm);
– изократический режим элюирования: 1:1 (вода /ацетонитрил);
– расход: 1 мл/мин;
– температура колонки: 30 °С;
– УФ-детектирование на 230 и 340 нм.
Образование НК при растворении вышеуказанных композиций НА:Na-КМЦ в воде было доказано также методом 1Н ЯМР. Тогда как композиция НА:АГ=1:9 демонстрирует высокую стабильность в водных растворах. Методом ЯМР показано также, что твердофазная механохимическая обработка нафталевого ангидрида с полисахаридами не приводит к химической модификации НА.
Биологические исследования комплексов НА с полисахаридами, а также образцов НК проводили в условиях лаборатории искусственного климата ФГБНУ ВНИИФ и оценивали влияние различных вариантов регулирования антидотных свойств нафталевого ангидрида при его механохимической модификации полисахаридами.
В опытах в качестве тест-растений использовали семена рапса сорта Труженик и кукурузы сорта Каскад. В качестве загрязнителя черноземной почвы (Тамбовская обл.) использовали гербицид Зингер, СП (д.в. метсульфурон-метил) в дозе 5 г/га. Обработанные различными образцами протравителей, содержащих нафталевый ангидрид, выращивали в камерах «Фетч» (ФРГ) при следующих гидротермических условиях: температура днем 22 °С, ночью – 18 °С, освещенность в течение 16 часов 25 тыс. лк, влажность воздуха в камере 75 %, полив посевов в сосуде ежедневно обессоленной водой до уровня 60 % от ПВ почвы.
Анализ данных рис. 1–2 показывает, что модификация НА полисахаридами увеличивает его антидотное действие на рапсе, но снижает на кукурузе.
Проведено сравнение антидотной активности НА и НК на кукурузе и рапсе. Результаты представлены на рис. 3–4.
Рис. 1. Влияние НА и его комплексов с полисахаридами на рост надземной массы кукурузы (с. Каскад) при выращивании на почве, загрязненной метсульфурон-метилом
Рис. 2. Влияние НА и его комплексов с полисахаридами на рост надземной массы рапса (с. Труженик) при выращивании на почве, загрязненной метсульфурон-метилом
Рис. 3. Влияние НА и НК на длину проростков и корешков рапса при выращивании на почве, в разной степени загрязненной метсульфурон-метилом
Рис. 4. Влияние НА и НК на длину проростков и корешков кукурузы при выращивании на почве, в разной степени загрязненной метсульфурон-метилом
Анализ данных, представленных на рис. 3–4, показывает, что и на рапсе, и на кукурузе существенной разницы в антидотной активности НА и НК не замечено. Проведенные биологические испытания показали, что и НА и НК обладают высокой стимулирующей активностью на кукурузе.
Выводы
1. Показана возможность регулирования антидотных свойств нафталевого ангидрида при его механохимической модификации с полисахаридами.
2. Продукт гидролиза нафталевого ангидрида – нафталин-1,8-дикарбоновая кислота – обладает стимулирующими свойствами на семенах кукурузы, а также высокой антидотной активностью в почвах, зараженных гербицидом сульфонилмочевинного ряда.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 15-29-05792).